溶液體系對鋁合金陽極氧化膜的影響及性能分析

2020-03-15 07:55:18凌付平

中國金屬通報 2020年23期

凌付平

（1.江蘇航運職業技術學院教務處，江蘇南通 226010；2.南通德爾塔光學有限公司技術部，江蘇南通 226002）

鋁及其合金具有較理想的理化性能，尤其在機械以及航空航天行業中備受重視[1]。鋁及其合金的優點十分明顯，其密度低，在同體積的情況下要比其他金屬材料質量更小，使成品更輕便；加工溫度要求不高，易于達到，其本身塑性較強，加工難度較低；具有良好的導電導熱性能，易回收。同時，鋁及其合金也存在缺陷，由于其金屬性質活潑，容易發生晶間腐蝕，在與其他金屬接觸時表現得十分明顯[2]。鋁在空氣中一般會形成自然氧化膜，但這層自然氧化膜并不十分耐腐蝕，強度也不足，無法用于實際生產加工。陽極氧化技術恰好彌補了這個缺點，致密的陽極氧化膜有利于提高鋁合金的耐腐蝕性與壽命，進而拓展了鋁合金的應用范圍。在具有良好實用性能的同時，陽極氧化膜還可以依靠多種著色技術改變外觀，提升美觀性。常用陽極氧化分為硫酸法、鉻酸法等，電解液的溶液體系不同，所形成的陽極氧化膜也有所差別。本文通過三種不同溶液體系制備鋁合金陽極氧化膜，探究溶液體系對鋁合金陽極氧化膜的影響及性能。

1 實驗

1.1 實驗材料

本次實驗中用到的材料為鋁合金 6061 軋制板材，利用數控機床將板材切割為110mm60mm2mm 尺寸的試樣，其主要化學成分質量百分比如表1 所示。

表1 鋁合金6061 化學成分

實驗前，首先使用800#的砂紙簡單打磨倒角，水洗后進行除油脫脂處理，防止殘留在試樣表面的有機物影響陽極氧化反應[3]，除油脫脂方法多種，在此不過多贅述，本實驗中將試樣浸泡在60°C 的P3-almeco 18 脫脂劑中靜置15min，水洗后完成脫脂處理，干燥備用。將脫脂后的試樣浸泡在60°C 的堿洗用溶液中3min，加強除油脫脂效果，除掉試樣砂紙打磨時造成的細小劃痕，同時會在表面留下一層黑色氧化層，而后將其浸泡在55. 的35ml/L TURCO Liquid Smut Go NC溶液中，靜置12min后用去離子水洗凈，干燥處理，得到純凈且表面基本光滑的試樣，待陽極氧化。

1.2 鋁合金的陽極氧化

本實驗三種溶液體系的陽極氧化反應中，陰極材料均選用純鉛版，其余參數如下：將濃硫酸—酒石酸陽極氧化組標記為a 組，該組溶液組成為濃硫酸3.67%wt、酒石酸7.39%，陽極氧化電流密度小于0.7A／dm2；陽極氧化電壓以20v 為基準，上下變化幅度不超過1v；陽極氧化溫度控制在24°C ～27°C 之間；陽極氧化時間控制在13min～19min 之間。將硫酸—草酸陽極氧化組標記為b 組，該組溶液組成為185g/L 濃度的硫酸、6g/L 濃度的草酸，陽極氧化電流密度小于1.0A／dm2；陽極氧化電壓以15v 為基準，上下變化幅度不超過1v；陽極氧化溫度控制在21°C ～24°C之間；陽極氧化時間控制在21min～24min 之間。將鉻酸陽極氧化組標記為c 組，該組溶液組成為45g/L 濃度的鉻酸，陽極氧化電流密度小于0.7A／dm2；陽極氧化電壓以20v 為基準，上下變化幅度不超過1v；陽極氧化溫度控制在31°C ～37°C 之間；陽極氧化時間控制在27min～31min 之間。陽極氧化反應后，利用50g/L 濃度、pH 值在5.0～65 之間的K2Cr2O2 溶液進行封閉處理，具體操作為：先將K2Cr2O2 溶液均勻加熱至90°C 并使溶液維持在這一溫度，把完成陽極氧化的鋁合金試樣通過先冷水后去離子水充分洗凈，后浸泡入加熱好的溶液中，靜置20min，完成封閉處理。

1.3 氧化膜厚度、表面粗糙度、硬度檢測

對鋁合金試樣進行陽極氧化且封閉處理完成后，進入性能測試階段。本實驗中選用CM-8826 涂層測厚儀進行氧化膜厚度檢測，布氏硬度計進行硬度檢測，TR200 表面粗糙度儀進行表面粗糙度（Ra）值檢測，其測量范圍在0.005-160μm 之間。

1.4 電化學阻抗譜檢測

實驗選用PAR368 電化學阻抗測量系統進行電化學測試，經過三種溶液體系陽極氧化及封閉處理后的試樣分別作為工作電極，試樣的測試面積約為6.9cm2。測試均在室溫條件下進行，將4%NaCl 溶液利用水浴增溫至45°C，把試樣浸泡在溶液中80d，每10d 進行一次交流測試儀測量。

1.5 疲勞性能測試

對三種溶液體系陽極氧化及封閉處理后的鋁合金試樣依照HB5287—96標準分別進行疲勞實驗，選用PWS-50電液伺服動靜萬能試驗機，輸入參數應力比R=0.1，頻率30Hz，加載應力279MPa。

2 實驗結果及分析

2.1 氧化膜厚度、表面粗糙度、硬度測試結果

對三組試樣的陽極氧化膜分別進行厚度、表面粗糙度、硬度檢測，結果如表2 所示。

表2 三組氧化膜厚度、表面粗糙度、硬度測試結果對比

由表2 可知，同組間膜厚度、表面粗糙度與硬度測試數值相差不大。根據表2 中的數據，經計算a 組的氧化膜平均厚度為39.12μm， b 組的氧化膜平均厚度為38.22μm， c 組的氧化膜平均厚度為37.60μm。從總體上看，三組中a 組陽極氧化膜厚度最大，c 組陽極氧化膜厚度最小。

根據表2 中的數據，經計算a 組的氧化膜平均表面粗糙度Ra值為1.79， b 組的氧化膜平均表面粗糙度Ra 值為1.20， c 組的氧化膜平均表面粗糙度Ra 值為1.40。從總體上看，三組中a 組陽極氧化膜表面粗糙程度最大，b 組陽極氧化膜表面粗糙程度最小。

根據表2 中的數據，經計算a 組的氧化膜平均硬度為459.07 HV，b 組的氧化膜平均硬度為632.11 HV，c 組的氧化膜平均硬度為481.63HV。從總體上看，三組中b 組氧化膜硬度最大，a 組氧化膜硬度最小。

綜合看來，a 組氧化膜厚度雖比其他兩組略大，但較粗糙且硬度較小，整體表現一般；b 組氧化膜雖厚度稍遜于a 組，但粗糙程度較小且硬度最大，整體表現較好；c 組整體表現較差。

2.2 電化學阻抗譜測試結果

對三組試樣的陽極氧化膜分別每10d 進行一次交流測試儀測量，結果如圖1 所示。

圖1 三組試樣浸泡過程中Rp 隨時間的變化

Rp 值通常反映的是陽極氧化膜多孔層的致密程度與其腐蝕介質穿透的能力。由表3 可知，三組試樣的Rp 值在前20d 均呈現下降的趨勢，在20d 之后變化幅度不太明顯。其中c 組的Rp 值下降最少，約為62%，b 組的Rp 值下降約75%，a 組的Rp 值下降約78%?？紤]到c 組中的Cr 存在自修復能力，該組氧化膜有少量Cr，故而具有較好的防護性能。

2.3 疲勞性能測試結果

在相同參數下，根據三組陽極氧化后的試樣與空白試樣疲勞斷裂情況，記錄疲勞測試相關數據如表3 所示，將三組試樣的陽極氧化膜與空白試樣對比，結果如圖2 所示。

表3 疲勞測試結果

圖2 三組陽極氧化試樣與空白試樣疲勞壽命相對統計結果

由圖2 可知，與未陽極氧化處理的空白試樣相比，三組試樣的疲勞壽命均出現不同程度的降低，a 組疲勞性能表現最差，b組疲勞性能表現最優，c 組疲勞性能略遜于b 組但相差不大。

3 實驗結果討論

鋁是地殼中含量最多的元素之一，其分布范圍廣，巖石泥土中均有鋁元素的存在[4]。在人類剛剛發現鋁金屬時，由于生產工藝的限制，導致鋁的應用范圍十分小，而隨著金屬鋁生產工藝的提升，鋁的產量迅猛提高，逐漸超越銅成為產量最多的金屬，在多個領域都有著十分重要的作用。鋁是電負性很強的金屬，其新鮮表面在空氣中會形成一層薄薄的氧化膜，對金屬鋁本身起到有限的防護作用。而鋁的廣泛應用也對其耐腐蝕、耐磨損等性能提出更高要求，科學家們對鋁的自然氧化膜進行了深入研究，探索出陽極氧化技術，使其適用范圍更廣，延長了其使用壽命。

本文通過分析三種不同溶液體系下陽極氧化膜性能，發現電解液的溶液體系對氧化膜的性能影響較為明顯。實驗結果顯示，三組氧化膜的厚度、表面粗糙度、硬度均有不同表現，其中濃硫酸—酒石酸陽極氧化表現出膜厚度最大，但相對于其他兩組表面較為粗糙，且硬度較低；硫酸—草酸陽極氧化表現出膜厚度適中，相對于其他兩組表面粗糙程度較小，且硬度較大；鉻酸陽極氧化在三組中表現無明顯優勢。在防護性能方面，由于三組均采用相同的封閉方式處理，在浸泡初期三組的防護性能相近，而后期鉻酸陽極氧化因Cr 元素具有一定的自修復性質，表現出較好的防護性能，但總體看來三組相差不大。在疲勞性能方面，濃硫酸—酒石酸處理對基體的疲勞性能影響最大，硫酸—草酸的影響最小，鉻酸影響次于濃硫酸—酒石酸。